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高场效应.ppt

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高场效应,碰撞电离:在强电场中,势垒区中的载流子会被电场加热,部分载流子可以获得足够高的能量,这些载流子有可能通过碰撞把能量传给价带中的电子,使之发生电离,从而产生电子-空穴对。 雪崩倍增:这些新产生的电子空穴又会在电场的作用下,重新获得能量,碰撞其他的中性原子使之电离,再产生更多的电子-空穴对。 雪崩击穿:这种连锁反应继续下去,使势垒区内的载流子数量剧增,就像雪崩一样,使反向电流急剧增大,产生击穿。,碰撞电离与雪崩击穿,势垒区的宽窄会不会影响雪崩击穿?,碰撞电离率,电子的电离率:电子运动经过单位距离时、通过碰撞电离所产生出的电子-空穴对的数目。 电离率α与电场E有很大的关系, 。 A,b 是常数。,一:由于空穴的有效质量远大于电子的有效质量,所以anap。 二: 对于p-n二极管的耗尽区,其中电场不是固定的,其最大电场周围的小部分,其对于激活电流贡献最大。为了pn二极管中的碰撞电离最小,最大电场应当最小化。,温度升高时 ,电子与晶格碰撞的机会加大,α反而减小?,1.Fowler-Nordheim隧穿(FN隧穿),通过二氧化硅层中的隧道击穿,当一个较大电压加在多晶硅时,氧化层的势垒变得很陡峭。 电子隧穿到氧化物层的导带中然后漂移通过氧化物层时,会发生Fowler-Nordheim隧穿。,较厚氧化层 较高的栅压,隧穿电流随电场增大,隧穿电流表达式,隧穿到氧化物层中的电子可以被捕获在氧化物层中。在恒定电压下测量隧道电流,则捕获的电子可以导致隧道电流随时间减小。根据氧化物层的厚度及其形成过程,隧道电流的这种减小可以在其达到更多或更少的稳态之前持续一段时间。,这里 是势垒高度,mox*是氧化层中电子的有效质量,Fox是氧化层中的电场强度。,直接隧穿,如果氧化物层非常薄,例如4nm或更小,则硅表面的电子就不是隧穿到二氧化层的导带中,而可以直接隧穿通过二氧化层的禁止能隙。 对于薄的氧化层,直接隧穿比FN隧穿更为复杂, 直接隧穿电流可以非常大,直接隧穿电流不依赖于电压或者电场? 、? 、,直接隧穿电流在非常小尺寸的MOSFET中是重要的,其中栅极氧化物层可以接近1nm的厚度。,陷阱辅助隧穿,电子穿入并穿过二氧化硅层时,可能导致在氧化物层界面内产生“缺陷”。,1.捕获电子,电子隧穿到氧化层中时,一些电子可能被捕获,隧道电流减小。,2.空穴捕获,3.陷阱和表面态的产生,在二氧化硅层中和在氧化物 - 硅界面处通过电子流产生陷阱,这些陷阱可以辅助隧道效应来增强隧穿电流,氧化物层中的捕获的空穴使得阴极附近的氧化物电场增加,这又导致隧道电流增加。,陷阱辅助隧穿,电子首先从阳极隧穿到氧化物中的电子陷阱,再由陷阱隧穿到阳极。,a)稍稍负偏,由于p硅的表面积累,在界面处产生越来越多空的状态。栅电极的导带中的电子可以在p硅表面处隧穿到空状态。这些陷阱下的隧穿过程是除了从栅电极的导带到衬底的导带的电子的正常隧穿之外的。,b)栅极稍微正偏置,表面处的越来越多的状态被电子填充。存在非常少的电子从p硅的导带隧穿到栅电极的导带。此外,p硅的填充表面态的电子也可以隧穿到栅电极的导带中。,由于界面陷阱辅助隧穿是一种直接隧穿过程,它只对薄的氧化物很重要。界面陷阱下的隧穿仅在低电压下很重要。 无论栅电极是正还是负,界面陷阱辅助隧穿都可以增强薄氧化物中的低电压隧道电流。,热载流子效应,在足够高的电场下,位于Si-SiO2界面附近中的一些电子或空穴可以从电场获得足够的能量以越过界面势垒并进入SiO2层。 通常,热电子比热空穴更有可能从Si进入SiO2层是因为 (1)电子由于其较小的有效质量,电子可以比空穴更容易地从电场获得能量。 (2) Si-SiO2界面能量势垒对于空穴(〜4.6eV)比对于电子(〜3.1eV)更大。,The Lucky Electron Model,在该模型中,在离Si-SiO 2界面的距离d处的热电子将被发射到SiO 2层中的概率被表示为,是硅中热电子的能量损失的有效平均自由程,栅控二极管下的高场效应,a)反型 如果p区被均匀掺杂,则表面反型区与n +硅区下面的耗尽层宽度大体相同,因此电场均匀地分布,b)积累 由于表面上累积的空穴的存在,表面表现得像一个比衬底更重掺杂的p区,导致表面处的耗尽层变得比别处更窄。局部电场的增加,Vg0,逐渐增大p 型衬底处于耗尽状态Vg0出现反型层,电子变为多子,表面耗尽时,电流为何随Vg的变大而变大,除了界面陷阱电流的影响,耗尽层宽度对其有没有影响?,局部电场的增加时,由于高场效应,反向偏置栅控二极管的漏电流应该增加,为何减小?,
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